詹 偉 ,嚴(yán)守靖,王洋洋,奚晨晨

(浙江省交通運輸科學(xué)研究院 道路工程研究所,浙江 杭州 310023)

引言

智能手機不僅具有卓越的通信、存儲和計算功能,還擁有強大的感知能力[1-2]。智能手機都安裝有加速度感知器、GPS 定位定位器、磁場感知器、溫濕度感知器、重力和轉(zhuǎn)動感知器等傳感元件。將智能手機固定在車輛上,打開手機自身攜帶的傳感器即可采集車輛的振動狀態(tài)數(shù)據(jù),具有十分高效和簡便的優(yōu)勢[3-4]。

近年來,利用智能手機采集車輛在路面上行駛數(shù)據(jù)的研究成果逐漸增多。巴西圣保羅大學(xué)的Souza V 學(xué)者[5]利用智能手機加速度傳感器采集的加速度數(shù)據(jù),提出了與瀝青路面評價相關(guān)的實際數(shù)據(jù)流應(yīng)用,可以使不同用戶無需費力地在駕駛期間無處不在地監(jiān)控路面質(zhì)量。美國德克薩斯州立大學(xué)Li X 和Goldberg DW[6]提出了一種基于人群感知的智能手機路面評估系統(tǒng)。智能手機中的內(nèi)置GPS 接收器和加速度計用于捕獲路面的地理參考Z軸加速度的空間序列,可以通過挖掘人群感測數(shù)據(jù)來有效地識別路面狀況并且可以正確地檢測和定位瞬態(tài)事件。蘇交科集團股份有限公司王惠勇[7]采用智能手機加速度信號為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),從自主采集抗干擾能力和系統(tǒng)魯棒性設(shè)計出發(fā)開發(fā)了手機加速度采集軟件,用于預(yù)測瀝青路面的平整度。長安大學(xué)徐松[8]研究了一種利用智能手機測試與評價路面平整度的方法,基于Android Studio 2.0的程序開發(fā)環(huán)境,開發(fā)了可以安裝在Android 智能手機上的加速度采集客戶端,建立了加速度數(shù)據(jù)與國際平整度指數(shù)之間的關(guān)系,并依托西潼高速公路和西禹高速公路進行了IRI 理論計算方法的驗證實驗。

總結(jié)近幾年國內(nèi)外關(guān)于智能手機采集數(shù)據(jù)的研究成果,當(dāng)前的研究方向主要集中于如何利用智能手機采集的車輛振動數(shù)據(jù),建立車輛振動數(shù)據(jù)與路面平整度、路面舒適性指數(shù)等路面服務(wù)性能指標(biāo)之間的關(guān)系[9-13]。而對于智能手機在車輛上放置方式的研究較少,考慮到智能手機在車輛上放置的位置和姿態(tài)的不同,采集是數(shù)據(jù)質(zhì)量有較大的差異,從而影響振動數(shù)據(jù)的利用。因此,十分有必要研究智能手機在車輛上的放置方式對振動數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的影響。

1 智能手機采集振動數(shù)據(jù)原理

智能手機中自身攜帶了加速度、空間態(tài)、角速度、定位等傳感器,將智能手機放置于車輛內(nèi)部,智能手機即可實時感知到車輛的運動狀態(tài)信息,智能手機內(nèi)置傳感器的集成如圖1 所示。

圖1 智能手機內(nèi)置傳感器集成

本實驗中智能手機加速度傳感器可實時感知車輛在水平方向的加速度與豎直方向的振動加速度數(shù)據(jù)?？臻g狀態(tài)和角速度傳感器可實時感知車輛的俯仰、橫滾、側(cè)切和角度變化的狀態(tài),定位采用高精度民用GPS 進行經(jīng)緯度定位[14-17]。智能手機傳感器空間狀態(tài)感知測試如圖2 所示。由于智能手機傳感器實時感知的數(shù)據(jù)缺少數(shù)據(jù)傳輸斷口進行導(dǎo)出,因此,本項目在實驗過程中采用了Mathwork 的MatlabMobile 客戶端進行實時的顯示[18-20],如圖3 所示。

2 振動數(shù)據(jù)采集

2.1 實驗裝置

由文獻表明[21-23],智能手機可使用蘋果設(shè)備和安卓設(shè)備,均可采集振動數(shù)據(jù)。本項目使用的智能手機為OPPO find7,采用Android4.7 操作系統(tǒng),智能手機自身搭載的加速度傳感器、陀螺儀和電子羅盤儀等關(guān)鍵性能指標(biāo)參數(shù)分別如表1 至表3 所示。

本實驗中采用全順車作為實驗用車,如圖4 所示,車輛具體關(guān)鍵參數(shù)如表4 所示。車輛主要性能參數(shù)指標(biāo)包括車輛的,車輛主要參數(shù)包括車輛的懸掛、輪胎、發(fā)動機功率等參數(shù),這些參數(shù)主要表現(xiàn)為車輛自身振動的頻率,與周圍環(huán)境一起,通過噪聲的形式干擾車輛豎直方向的加速度信號。

表1 加速度傳感器性能指標(biāo)

圖2 智能手機傳感器空間狀態(tài)示意圖

圖3 智能手機振動數(shù)據(jù)采集示意圖

表2 陀螺儀性能指標(biāo)

表3 電子羅盤儀性能指標(biāo)

圖4 實驗使用車輛

表4 項目實驗機動車輛主要參數(shù)

2.2 智能手機固定位置和放置姿態(tài)

考慮到同一個測試車輛,在不同的車輛位置上,車輛自振的影響不同。為探究不同智能移動終端放置方式對數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的影響。本項目研究了三個固定位置(車頭、車身、車尾),兩個放置狀態(tài)(水平、豎直),通過觀察車輛振動信號振幅的變化,評價智能移動終端放置方式對數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的影響規(guī)律。實驗過程中,智能移動終端的放置方式如圖5、圖6 和圖7 所示。

圖5 車頭移動終端放置方式

圖6 車身移動終端放置方式

圖7 車尾移動終端放置方式

圖8 車頭位置不同放置姿態(tài)

表5 車頭位置不同放置姿態(tài)下數(shù)據(jù)采集質(zhì)量

3 實驗結(jié)果分析

3.1 移動終端放置姿態(tài)分析

本項目從實際的移動終端放置狀態(tài)出發(fā),用戶通常將移動終端放置于車輛的固定支架上。一般地,用戶都會接近以豎直或水平的姿態(tài)放置智能手機,因此,本項目在實驗中對水平和豎直放置狀態(tài)下,采集了不同固定位置下智能手機的豎向振動加速度數(shù)據(jù),分別如圖8、圖9 和圖10 所示。數(shù)據(jù)采集質(zhì)量統(tǒng)計分析分別如表5、表6 和表7 所示。

圖9 車身位置不同放置姿態(tài)

表6 車身位置不同放置姿態(tài)下數(shù)據(jù)采集質(zhì)量

圖10 車尾位置不同放置姿態(tài)

表7 車尾位置不同放置姿態(tài)下數(shù)據(jù)采集質(zhì)量

由圖8 和表5 可以看出,將智能移動終端固定在車頭位置處,豎向振動加速度數(shù)據(jù)法變異系數(shù)整體較小,由此表明車頭位置的振動信號比較穩(wěn)定。但移動終端在水平姿態(tài)下,加速度的均值較小,數(shù)據(jù)變異系數(shù)達(dá)到0.143,是豎直姿態(tài)的3.86 倍,而數(shù)據(jù)的偏離程度達(dá)到12.944%,超過豎直姿態(tài)的8 倍。該現(xiàn)象表明,盡管在車頭位置,車輛自身的振動信號比較穩(wěn)定,但在水平狀態(tài)下,智能移動終端的姿態(tài)容易發(fā)生轉(zhuǎn)動,固定支架對終端的姿態(tài)固定效果不佳,而豎直姿態(tài)的固定效果較好,數(shù)據(jù)整體的采集質(zhì)量較高。

由表6 可以看出,將智能移動終端固定在車身位置處,豎向振動加速度數(shù)據(jù)法變異系數(shù)整體較小,并且數(shù)據(jù)的偏離度也比較小,由此表明車身位置的振動信號比較穩(wěn)定。但從圖9 可以明顯發(fā)現(xiàn),移動終端在水平姿態(tài)下,豎向振動加速度數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)變異系數(shù)達(dá)到0.097 超過車身豎直狀態(tài)的2 倍。因此,在車身的位置上,車輛自身的振動信號比較穩(wěn)定,總體的數(shù)據(jù)采集質(zhì)量較高,但水平狀態(tài)數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性遠(yuǎn)低于豎直放置的姿態(tài)。

由圖10 可以看出,將智能移動終端放置于車輛尾部,水平和豎直放置姿態(tài)下,水平姿態(tài)的振動信號穩(wěn)定性較差,信號有明顯的偏離趨勢,而豎直放置姿態(tài)下,振動信號較為穩(wěn)定。由表7 的統(tǒng)計分析也可以明顯發(fā)現(xiàn),振動信號數(shù)據(jù)的變異系數(shù)較大,水平放置姿態(tài)和豎直放置姿態(tài)的數(shù)據(jù)變異系數(shù)相差僅為0.001。但兩者的數(shù)據(jù)偏離度相差較大,豎直放置姿態(tài)為0.701,而水平放置為1.816,超過豎直姿態(tài)的2.5 倍。因此,在車輛尾部豎直放置姿態(tài)的振動數(shù)據(jù)采集質(zhì)量也優(yōu)于水平姿態(tài)。

3.2 移動終端固定位置分析

智能移動終端在車輛的不同位置受到車輛自振等因素的影響差異較大,本項目在實驗中在豎直和水平姿態(tài)下,分別將智能手機固定到車輛的車頭、車身和車尾,各個部位振動信號的幅值分別如圖11 和圖12 所示。

由圖10 和圖11 可以看出,在豎直放置姿態(tài)下,車頭和車身的振動擬合曲線較為穩(wěn)定,而車尾的振動擬合曲線穩(wěn)定性較差,三者的振動幅值擬合曲線與當(dāng)?shù)丶铀俣戎档臄?shù)據(jù)變異系數(shù)分別為0.037、0.041 和0.122。而在水平放置姿態(tài)下,車身的振動擬合曲線較為穩(wěn)定,車頭的振動擬合曲線穩(wěn)定性最差,三者的振動幅值擬合曲線與當(dāng)?shù)丶铀俣戎档臄?shù)據(jù)變異系數(shù)分別為 0.097、0.121 和0.143。在移動終端放置姿態(tài)的情況下,固定在車輛的車頭部位,振動數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性最好,數(shù)據(jù)的偏離程度最低。因此,車頭部位的振動信號最穩(wěn)定,采集數(shù)據(jù)的與真實數(shù)據(jù)的偏離度最小,具有較好的數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

圖11 豎直姿態(tài)下不同放置部位

圖12 水平姿態(tài)下不同放置部位

4 結(jié)論

本文通過安卓智能手機采集車輛的振動數(shù)據(jù),通過開展智能手機固定位置和放置姿態(tài)的實驗,采集并分析了振動數(shù)據(jù)的質(zhì)量,得到了以下的結(jié)論：

(1)將智能手機固定在車輛頭部位置能獲得最穩(wěn)定的振動數(shù)據(jù),并且采集數(shù)據(jù)的與真實數(shù)據(jù)的偏離程度最小,數(shù)據(jù)質(zhì)量好。

(2)智能手機在車身位置采集的振動數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好,但數(shù)據(jù)的偏離程度較高,車輛尾部采集的振動數(shù)據(jù)穩(wěn)定性最差,數(shù)據(jù)偏離程度最大,車身和車尾的數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯低于車頭。

(3)在車輛的不同位置,智能手機在豎直姿態(tài)下采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量均高于水平姿態(tài)。因此,在車頭部位豎直采集振動數(shù)據(jù)是最佳的放置方式。